(57)【要約】【課題】光音響イメージングにおいて、光吸収体の吸収分布を表す光音響画像を光音響信号から生成することを可能とする。【解決手段】光出射部１３および超音波振動子６０を有するプローブ１１と、プローブ１１の実空間における位置およびその向きを規定する空間情報を取得する位置情報取得手段１５と、プローブ１１によって検出された光音響波の光音響信号と位置情報取得手段１５によって取得された空間情報とを使用して、光音響信号についての断層データおよび／またはボリュームデータを生成する光音響画像生成手段１２とを備え、光音響画像生成手段１２を、測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段２５を有し、断層データおよび／またはボリュームデータを生成するに際しデコンボリューションされた光音響信号を使用するものとする。【選択図】図１
2013128760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に向けて測定光を出射する光出射部、および、前記測定光の出射に起因して前記被検体内で発生した光音響波を検出する音響検出素子を有するプローブと、
前記プローブの実空間における位置および／またはその向きを規定する空間情報を取得する位置情報取得手段と、
前記プローブによって検出された前記光音響波の光音響信号と前記位置情報取得手段によって取得された前記空間情報とを使用して、前記光音響信号についての断層データおよび／またはボリュームデータを生成する光音響画像生成手段とを備え、
前記光音響画像生成手段が、前記測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を前記光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段を有し、断層データおよび／またはボリュームデータを生成するに際し、前記光微分波形逆畳込み手段によってデコンボリューションされた前記光音響信号を使用するものであることを特徴とする光音響画像生成装置。
【請求項２】
前記光微分波形逆畳込み手段が、前記測定光の前記光微分波形を取得する光微分波形取得手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
【請求項３】
前記光微分波形逆畳込み手段が、
前記光音響信号をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、
前記光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号をフーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、
フーリエ変換された前記光微分波形の逆数を逆フィルタとして求める逆フィルタ演算手段と、
フーリエ変換された前記光音響信号に前記逆フィルタを適用するフィルタ適用手段と、
前記逆フィルタが適用された前記光音響信号をフーリエ逆変換するフーリエ逆変換手段とを有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響画像生成装置。
【請求項４】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、前記第１のサンプリングレートでサンプリングされた前記光音響信号を、前記第２のサンプリングレートでリサンプルするリサンプル手段を更に備え、
前記第１のフーリエ変換手段が、前記リサンプル手段でリサンプルされた前記光音響信号をフーリエ変換するものであることを特徴とする請求項３に記載の光音響画像生成装置。
【請求項５】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記第１のフーリエ変換手段が第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記第２のフーリエ変換手段が前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、フーリエ変換された前記光音響信号に対して、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行うゼロパディング手段を更に備え、
前記フィルタ適用手段が、前記ゼロパディング手段でゼロパディングが行われた前記光音響信号に対して前記逆フィルタを適用するものであることを特徴とする請求項３に記載の光音響画像生成装置。
【請求項６】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記第１のフーリエ変換手段が第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記第２のフーリエ変換手段が前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、フーリエ変換された前記光微分波形から、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する高周波成分サンプル点除去手段を更に備え、
前記逆フィルタ演算手段が、フーリエ変換された前記光微分波形から高周波成分サンプル点を除去した波形の逆数を前記逆フィルタとして求めるものであることを特徴とする請求項３に記載の光音響画像生成装置。
【請求項７】
前記光微分波形逆畳込み手段が、前記測定光が複数の波長の光を含む場合において、各波長の光に対応した光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした信号を生成するものであり、
前記光音響画像生成手段が、各波長の光に対応したデコンボリューション後の信号同士を演算処理する２波長データ演算手段を更に備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項８】
前記光音響画像生成手段が、デコンボリューションされた前記光音響信号から、前記光音響信号を検出する検出器の受信角度依存特性の影響を除去するように、デコンボリューションされた前記光音響信号を補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項９】
前記ボリュームデータの観察方式を選択する観察方式選択手段を更に備え、
前記光音響画像生成手段が、前記ボリュームデータに基づいて、前記観察方式選択手段によって選択された観察方式に従って光音響画像を生成するものであることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１０】
前記位置情報取得手段が、磁気センサユニットを含み、該磁気センサユニットを用いて前記空間情報を取得するものであることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１１】
前記プローブが、前記被検体に対して送信された音響波に対する反射音響波を検出するものであり、
前記プローブによって検出された前記反射音響波の反射音響波信号に基づいて反射音響波画像を生成する反射音響波画像生成手段を更に備えることを特徴とする請求項１から１０いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１２】
光出射部および音響検出素子を有するプローブを備えた光音響画像生成装置を用いて、
測定光の出射に起因して被検体内で発生した光音響波を検出し、
前記プローブの実空間における位置および／またはその向きを規定する空間情報を取得し、
前記測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を前記光音響波の光音響信号からデコンボリューションし、
デコンボリューションされた前記光音響信号と前記空間情報とを使用して、前記光音響信号についての断層データおよび／またはボリュームデータを生成することを特徴とする光音響画像生成方法。
【請求項１３】
前記デコンボリューションを、前記光音響信号をフーリエ変換し、前記光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記光微分波形の逆数を逆フィルタとして求め、フーリエ変換された前記光音響信号に前記逆フィルタを適用し、前記逆フィルタが適用された前記光音響信号をフーリエ逆変換することによって行うことを特徴とする請求項１２に記載の光音響画像生成方法。
【請求項１４】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものである場合において、
前記第１のサンプリングレートでサンプリングされた前記光音響信号を、前記第２のサンプリングレートでリサンプルし、リサンプルされた前記光音響信号をフーリエ変換することを特徴とする請求項１３に記載の光音響画像生成方法。
【請求項１５】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものである場合において、
前記光音響信号のフーリエ変換を第１のデータ点数で行い、
前記光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号のフーリエ変換を、前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数で行い、
フーリエ変換された前記光音響信号に対して、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行い、
ゼロパディングが行われた前記光音響信号に対して前記逆フィルタを適用することを特徴とする請求項１３に記載の光音響画像生成方法。
【請求項１６】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものである場合において、
前記光音響信号のフーリエ変換を第１のデータ点数で行い、
前記光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号のフーリエ変換を、前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数で行い、
フーリエ変換された前記光微分波形の信号から、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去し、
高周波成分サンプル点を除去した後の前記光微分波形の逆数を前記逆フィルタとして求めることを特徴とする請求項１３に記載の光音響画像生成方法。
【請求項１７】
前記測定光が複数の波長の光を含む場合において、
各波長の光に対応した光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした信号を生成し、各波長の光に対応したデコンボリューション後の信号同士を演算処理することを特徴とする請求項１２から１６いずれかに記載の光音響画像生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射に起因して発生した光音響波に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置および光音響画像生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある。この光音響分析法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有するパルス光を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこのパルス光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）と呼ばれる。
【０００３】
さらに、例えば特許文献１のように、に音響波受信器を被検体に対して相対的に移動させて音響波を受信し、受信信号を基にして被検体内部の情報を２次元又は３次元画像として取得することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１２５５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の再構成方法（例えばフーリエドメイン法（ＦＴＡ法）や遅延加算法（Delay&Sum法）等）は実質的に圧力分布を画像化しているに過ぎず、そのような方法により生成された光音響画像は光吸収体の吸収分布を表していない。圧力分布を画像化した光音響画像では、１本の血管が二重に表示されることがあり、画像判定上、血管の位置が確認しづらいことがあった。また、複数の異なる方向や複数の異なる波長で取得した画像同士を計算する際に、位置がずれやすく適切な結果が得られないなどの問題もあった。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響イメージングにおいて、光吸収体の吸収分布を表す光音響画像を光音響信号から生成することを可能とする光音響画像生成装置および光音響画像生成方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る光音響画像生成装置は、
被検体に向けて測定光を出射する光出射部、および、測定光の出射に起因して被検体内で発生した光音響波を検出する音響検出素子を有するプローブと、
プローブの実空間における位置および／またはその向きを規定する空間情報を取得する位置情報取得手段と、
プローブによって検出された光音響波の光音響信号と位置情報取得手段によって取得された空間情報とを使用して、光音響信号についての断層データおよび／またはボリュームデータを生成する光音響画像生成手段とを備え、
光音響画像生成手段が、測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段を有し、断層データおよび／またはボリュームデータを生成するに際し、光微分波形逆畳込み手段によってデコンボリューションされた光音響信号を使用するものであることを特徴とするものである。
【０００８】
そして、本発明に係る光音響画像生成装置において、光微分波形逆畳込み手段は、測定光の光微分波形を取得する光微分波形取得手段を更に備えることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、光微分波形逆畳込み手段は、
光音響信号をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、
光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号をフーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、
フーリエ変換された光微分波形の逆数を逆フィルタとして求める逆フィルタ演算手段と、
フーリエ変換された光音響信号に逆フィルタを適用するフィルタ適用手段と、
逆フィルタが適用された光音響信号をフーリエ逆変換するフーリエ逆変換手段とを有するものであることが好ましい。
【００１０】
この場合において、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、第１のサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、第２のサンプリングレートでリサンプルするリサンプル手段を更に備え、
第１のフーリエ変換手段は、リサンプル手段でリサンプルされた光音響信号をフーリエ変換するものであることが好ましい。
【００１１】
或いは、上記の場合において、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
第１のフーリエ変換手段は第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
第２のフーリエ変換手段は第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、フーリエ変換された光音響信号に対して、第１のデータ点数と第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行うゼロパディング手段を更に備え、
フィルタ適用手段は、ゼロパディング手段でゼロパディングが行われた光音響信号に対して逆フィルタを適用するものであることが好ましい。
【００１２】
或いは、上記の場合において、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
第１のフーリエ変換手段は第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
第２のフーリエ変換手段は第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、フーリエ変換された光微分波形から、第１のデータ点数と第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する高周波成分サンプル点除去手段を更に備え、
逆フィルタ演算手段は、フーリエ変換された光微分波形から高周波成分サンプル点を除去した波形の逆数を逆フィルタとして求めるものであることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、光微分波形逆畳込み手段は、測定光が複数の波長の光を含む場合において、各波長の光に対応した光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした信号を生成するものであり、
光音響画像生成手段は、各波長の光に対応したデコンボリューション後の信号同士を演算処理する２波長データ演算手段を更に備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、光音響画像生成手段は、デコンボリューションされた光音響信号から、光音響信号を検出する検出器の受信角度依存特性の影響を除去するように、デコンボリューションされた光音響信号を補正する補正手段を更に備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る光音響画像生成装置は、ボリュームデータの観察方式を選択する観察方式選択手段を更に備え、
光音響画像生成手段は、ボリュームデータに基づいて、観察方式選択手段によって選択された観察方式に従って光音響画像を生成するものであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、位置情報取得手段は、磁気センサユニットを含み、磁気センサユニットを用いて空間情報を取得するものであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、プローブは、被検体に対して送信された音響波に対する反射音響波を検出するものであり、
光音響画像生成装置は、プローブによって検出された反射音響波の反射音響波信号に基づいて反射音響波画像を生成する反射音響波画像生成手段を更に備えることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る光音響画像生成方法は、
光出射部および音響検出素子を有するプローブを備えた光音響画像生成装置を用いて、
測定光の出射に起因して被検体内で発生した光音響波を検出し、
プローブの実空間における位置および／またはその向きを規定する空間情報を取得し、
測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を光音響波の光音響信号からデコンボリューションし、
デコンボリューションされた光音響信号と上記空間情報とを使用して、光音響信号についての断層データおよび／またはボリュームデータを生成することを特徴とするものである。
【００１９】
そして、本発明に係る光音響画像生成方法において、上記デコンボリューションは、光音響信号をフーリエ変換し、光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された光微分波形の逆数を逆フィルタとして求め、フーリエ変換された光音響信号に上記逆フィルタを適用し、上記逆フィルタが適用された光音響信号をフーリエ逆変換することによって行うことが好ましい。
【００２０】
この場合において、光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、光微分波形が第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであるときには、第１のサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、第２のサンプリングレートでリサンプルし、リサンプルされた光音響信号をフーリエ変換することができる。
【００２１】
或いは、光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、光微分波形が第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであるときには、光音響信号のフーリエ変換を第１のデータ点数で行い、光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号のフーリエ変換を、第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数で行い、フーリエ変換された光音響信号に対して、第１のデータ点数と第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行い、ゼロパディングが行われた光音響信号に対して上記逆フィルタを適用することができる。
【００２２】
或いは、光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、光微分波形が第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであるときには、光音響信号のフーリエ変換を第１のデータ点数で行い、光微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号のフーリエ変換を、第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数で行い、フーリエ変換された光微分波形の信号から、第１のデータ点数と第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去し、高周波成分サンプル点を除去した後の光微分波形の逆数を上記逆フィルタとして求めることができる。
【００２３】
また、本発明に係る光音響画像生成方法において、測定光が複数の波長の光を含む場合には、各波長の光に対応した光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした信号を生成し、各波長の光に対応したデコンボリューション後の信号同士を演算処理することが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を光音響波の光音響信号からデコンボリューションし、デコンボリューションされた光音響信号と空間情報とを使用して、光音響信号についての断層データおよび／またはボリュームデータを生成することを特徴とする。したがって、従来の圧力波の伝搬過程における圧力分布を表す光音響信号を、光吸収体の吸収分布を表す光音響信号に変換することができる。この結果、光音響イメージングにおいて、光吸収体の吸収分布を表す光音響画像を光音響信号から生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】プローブの走査態様の例を示す概略図である。
【図３】光音響画像の表示態様の例を示す概略図である。
【図４】第１の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図５Ａ】再構成後の光音響信号を示す波形図である。
【図５Ｂ】ＦＦＴ後の光音響信号ＦＦＴを示す波形図である。
【図５Ｃ】光パルス微分波形（ｈ）を示す波形図である。
【図５Ｄ】ＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）を示す波形図である。
【図５Ｅ】光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを示す波形図である。
【図５Ｆ】デコンボリューション後のＦＦＴ波形を示す波形図である。
【図５Ｇ】逆変換された光音響信号を示す波形図である。
【図６Ａ】再構成後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像を示す図である。
【図６Ｂ】デコンボリューション後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像を示す図である。
【図７】光音響画像生成の動作手順を示すフローチャートである。
【図８】第２の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図９Ａ】４００ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す波形図である。
【図９Ｂ】４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す波形図である。
【図１０】第３の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図１１Ａ】光音響信号（周波数領域）を示すグラフである。
【図１１Ｂ】ゼロパディング後の光音響信号を示すグラフである。
【図１２】第４の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図１３Ａ】光パルス微分波形（周波数領域）を示すグラフである。
【図１３Ｂ】高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形を示すグラフである。
【図１４】本発明の光音響画像生成装置の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の光音響画像生成装置の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２７】
「光音響画像生成装置の第１の実施形態」
まず、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２８】
具体的には、本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４、位置情報取得手段１５および入力手段１６を備える。
【００２９】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３は、被検体に照射すべきレーザ光を測定光として出射する。レーザユニット１３が出射するレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。このレーザユニット１３が本発明における光出射部に相当する。例えば本実施形態においてレーザユニット１３は、励起光源であるフラッシュランプ３１とレーザ発振を制御するＱスイッチ３２とを含むＱスイッチレーザである。レーザユニット１３は、トリガ制御回路２９が光トリガ信号を出力すると、フラッシュランプ３１を点灯し、Ｑスイッチレーザを励起する。
【００３０】
レーザユニット１３は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メトヘモグロビン等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には３６０〜１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、生体内でのヘモグロビンを計測する場合には、他の生体物質の吸収が比較的少ない６００〜１０００ｎｍの程度とすることが好ましい。また、より生体内での被検体の深部まで届くという観点から、レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
なお、レーザユニット１３としては、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることもできる。
【００３２】
＜プローブ（超音波探触子）＞
プローブ１１は、レーザユニット１３から出射されたレーザ光が被検体に照射された後に、被検体内の光吸収体がレーザ光を吸収することで生じた光音響波（光音響信号）を検出する。プローブ１１は、例えば一次元または２次元に配列された複数の超音波振動子（振動子アレイ）を有する。プローブ１１は、ハンドヘルド型の探触子であり、操作者が手動で走査可能となるように構成されている。この超音波振動子が本発明における音響検出素子に相当する。
【００３３】
図２は、プローブの走査態様の例を示す概略図である。図２ａおよび図２ｂは、一次元に配列した振動子アレイ６０のアレイ方向（超音波振動子が配列した方向）についての走査態様を表したものである。図２ａは、アレイ方向に垂直でかつ被検体内に向かう軸６１が撮像の対象となる部位６２を中心にアレイ方向Ａに回転するように、振動子アレイ６０が走査される様子を示している。また、図２ｂは、アレイ方向とエレベーション方向（アレイ方向および軸６１の両方に垂直な方向）とで規定される平面内でアレイ方向Ｂに振動子アレイ６０が走査される様子を示している。一方、図２ｃから図２ｅは、一次元に配列した振動子アレイ６０のエレベーション方向についての走査態様を表したものである。図２ｃは、アレイ方向とエレベーション方向とで規定される平面内でエレベーション方向Ｃに振動子アレイ６０が走査される様子を示している。また、図２ｄは、振動子アレイ６０の中心を通る軸６１を回転軸にして方向Ｄに振動子アレイ６０が走査される様子を示している。また、図２ｅは、アレイ方向に垂直でかつ被検体内に向かう軸６１が撮像の対象となる部位６２を中心にエレベーション方向Ｅに回転するように、振動子アレイ６０が走査される様子を示している。上記の走査態様は走査の基本となる態様を示したに過ぎず、実際の走査は上記の走査態様を適宜組み合わせて実施される。また、走査は、手動による走査に限られず、メカニカル的な機構によって実施してもよい。
【００３４】
＜位置情報取得手段＞
位置情報取得手段１５は、プローブ１１が走査されながら光音響信号を検出している間、プローブ１１の実空間における位置およびその向きを規定する空間情報（以下、単に位置情報という。）を順次取得する。この位置情報は光音響信号に基づいてボリュームデータを生成する際に使用される。位置情報の取得の開始或いはその終了は、トリガ制御回路２９からの位置トリガ信号によって制御される。そして、取得された位置情報は、当該位置で検出された光音響信号と関連付けられた上で、受信メモリ２３に送信される。位置情報取得手段１５は、例えば磁場発生部および複数の磁気センサを有する磁気センサユニットから構成され、磁気センサがプローブ１１の中に組み込まれる。磁気センサユニットは、磁場発生部が形成するパルス磁場上の空間において、磁場発生部に対する磁気センサの相対的位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）、および磁気センサの姿勢情報（角度（α、β、γ）の情報）を取得することができる。位置情報取得手段１５は、磁気センサユニットの他、加速度センサや赤外線センサを使用して位置情報を取得するように構成してもよい。
【００３５】
＜超音波ユニット＞
超音波ユニット１２は、光音響画像生成手段に相当する。超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、光微分波形逆畳込み手段２５、補正手段２６、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、トリガ制御回路２９、制御手段３０、画像合成手段３８および観察方式選択手段３９を有する。
【００３６】
受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば、外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする。受信メモリ２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号を記憶する。また、受信メモリ２３は、位置情報取得手段１５が取得したプローブ１１の位置情報も記憶する。そして、本実施形態では、受信メモリ２３は、プローブ１１によって検出された光音響信号を光音響画像再構成手段２４に出力する。
【００３７】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された光音響信号に基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２４は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。光音響画像再構成手段２４は、遅延加算法に代えて、ＢＰ法（Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像再構成手段２４は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。
【００３８】
光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成された光音響信号から被検体に照射された光の光強度の時間波形の微分波形である光パルス微分波形（パルスレーザ光についての光微分波形）をデコンボリューションした信号を生成する。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、ｔ≠０に再構成した圧力分布から、ｔ＝０に再構成した圧力分布、すなわち吸収分布を求めることができる。光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成前の光音響信号に対してデコンボリューションを行ってもよい。デコンボリューションの詳細な説明は後述する。
【００３９】
補正手段２６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号を補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号から、プローブ１１における超音波振動子の受信角度依存特性の影響を除去する。また、補正手段２６は、受信角度依存特性に加えて、又はこれに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号から被検体における光の入射光分布の影響を除去する。補正手段２６を省き、これらの補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。
【００４０】
検波・対数変換手段２７は、補正後の各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。包絡線を求める検波手段としては、ヒルベルト変換や直交検波など従来から用いられている手法を用いることができる。これにより、超音波振動子の固有振動による帯域の影響が除去できる。光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、１フレーム分の光音響画像（断層データ）を生成する。光音響画像構築手段２８は、例えば光音響信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を光音響画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を生成する。
【００４１】
観察方式選択手段３９は、光音響画像の表示態様を選択するものである。光音響信号についてのボリュームデータの表示態様としては、例えば三次元画像としての態様、断層データに基づく断面画像としての態様および所定の軸上のグラフとしての態様が挙げられる。いずれの態様によって表示するかは、初期設定或いは操作者による入力手段１６からの入力に従って選択される。
【００４２】
画像合成手段３８は、それぞれの位置で取得されかつ光パルス微分波形がデコンボリューションされた光音響信号および位置情報を使用して、ボリュームデータを生成する。ボリュームデータの生成は、それぞれの光音響信号の信号値をこれに関連付けられた位置情報に従って、計算上の空間（仮想空間）に割り当てることにより行う。信号値を割り当てる際に、割り当てる場所が重複する場合には、その重複する場所の信号値として例えばそれらの信号値の平均値またはそれらのうちの最大値が採用される。また、必要に応じて、割り当てられる信号値がない場合には、その周辺の信号値を用いて補間することが好ましい。補間は、例えば、最近接点から順に４つの近接点の重み付き平均値を補間場所に割り当てることにより行う。これにより、より自然な形のボリュームデータを生成することができる。さらに、画像合成手段３８は、生成されたボリュームデータに必要な処理（例えばスケールの補正およびボクセル値に応じた色付け等）を施す。
【００４３】
また、画像合成手段３８は、観察方式選択手段３９によって選択された観察方式に従って光音響画像を生成する。図３は、光音響画像の表示態様の例を示す概略図である。図３ａは、仮想空間における所定の視点から眺めた際のボリュームデータの値を示す三次元画像６３ａである。観察方式選択手段３９において三次元状の吸収分布を観察する方式が選択された場合に、図３ａのような三次元画像６３ａが表示される。三次元画像６３ａを規定する仮想空間における視点は、例えば初期設定として又は操作者による入力手段１６からの入力によって、観察方式選択手段３９に設定されており、この情報も画像合成手段３８に送信される。また、図３ｂは、所定の二次元平面による断面におけるボリュームデータの値を示す断面画像６３ｂである。観察方式選択手段３９において二次元状の吸収分布を観察する方式が選択された場合に、図３ｂのような断面画像６３ｂが表示される。断面画像６３ｂを規定する二次元平面は、例えば初期設定として又は操作者による入力手段１６からの入力によって、観察方式選択手段３９に設定されており、この情報も画像合成手段３８に送信される。また、図３ｃは、所定の一次元軸に沿ったボリュームデータの値を示すグラフ６３ｃである。観察方式選択手段３９において一次元状の吸収分布を観察する方式が選択された場合に、図３ｃのようなグラフ６３ｃが表示される。グラフ６３ｃを規定する一次元軸は、例えば初期設定として又は操作者による入力手段１６からの入力によって、観察方式選択手段３９に設定されており、この情報も画像合成手段３８に送信される。
【００４４】
選択された観察方法に従って生成された光音響画像が、画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）となる。
【００４５】
なお、上記の光音響画像を生成方法において、一旦光音響画像が生成された後、操作者が必要に応じて当該画像を回転させたり移動させたりすることも当然可能である。つまり、図３ａに示されるような三次元画像が表示されている場合に、操作者が入力手段１６を使用して視点とする方向を順次指定する或いは移動させることにより、光音響画像が再計算されて三次元画像が回転することになる。また、操作者が入力手段１６を使用して適宜観察方法を変更することも可能である。
【００４６】
画像表示手段１４は、画像合成手段３８によって生成された表示画像を表示するものである。
【００４７】
制御手段３０は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。トリガ制御回路２９は、光音響画像生成に際して、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。また、光トリガ信号の出力後に、Ｑスイッチトリガ信号を送る。レーザユニット１３は、光トリガ信号を受けてフラッシュランプ３１を点灯し、レーザ励起を開始する。レーザユニット１３は、Ｑスイッチトリガ信号が入力されるとＱスイッチ３２をＯＮにし、レーザ光を出射する。トリガ制御回路２９は、被検体に対するレーザ光照射と同期してＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。
【００４８】
図４に、光微分波形逆畳込み手段２５の詳細な構成を示す。光微分波形逆畳込み手段２５は、光微分波形取得手段４０と、フーリエ変換手段４１、４２と、逆フィルタ演算手段４３と、フィルタ適用手段４４と、フーリエ逆変換手段４５とを有する。光微分波形取得手段４０は、光パルス微分波形を取得する。光微分波形取得手段４０は、例えばメモリから光パルス微分波形を読み出す。これに代えて、メモリから被検体に照射された光の光強度の時間波形を読み出し、それを時間微分してもよい。また、被検体に照射された光の光強度の時間波形を測定し、その測定結果を時間微分することで光パルス微分波形を取得してもよい。更には、被検体に照射されたパルス光の光強度の時間波形又はその微分波形を表す関数であって、パルス光のパルス幅を独立変数とする関数と、被検体に照射されたパルス光のパルス幅の測定結果とを用いて、光パルス微分波形を取得するようにしてもよい。フーリエ変換手段（第１のフーリエ変換手段）４１は、離散フーリエ変換により、再構成された光音響信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換手段（第２のフーリエ変換手段）４２は、離散フーリエ変換により、光パルス微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換のアルゴリズムにはＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）を用いることができる。
【００４９】
ここで、本発明におけるデコンボリューションの基本アルゴリズムについて概説する。
【００５０】
従来、圧力分布画像に代えて、吸収分布画像を生成する技術がこれまでにいくつか知られている。例えば特開平３−１５６３６２号公報（以下、特許文献２）には、試料の熱的インパルス応答から光音響画像の分解能劣化を修復する逆フィルタを求め、得られた光音響画像に逆フィルタを作用させることで、理想的な光音響画像、すなわち試料表面の点光源によって励起され、検出されるその点（無限小）における熱的インピーダンス情報（＝無限小なる点熱源の集合）を得ることが記載されている。
【００５１】
特許文献２では、より詳細には、まず、試料の熱インパルス応答ｈ（ｘ，ｙ）を計算し、次いで光音響画像ｐ（ｘ，ｙ）を構成する。熱的インパルス応答は、無限小なる一点の温度変化が試料表面の微小変位に変換されるまでの伝達関数と定義されている。その後、熱インパルス応答ｈ（ｘ，ｙ）と光音響画像ｐ（ｘ，ｙ）とをそれぞれフーリエ変換し、フーリエ変換像Ｈ（μ，υ）、Ｐ（μ，υ）を得る。１／Ｈ（μ，υ）を逆フィルタとして用い、Ｑ（μ，υ）＝Ｐ（μ，υ）・（１／Ｈ（μ，υ））により、Ｑ（μ，υ）を計算する。そのようにして計算されたＱ（μ，υ）をフーリエ逆変換することで、理想的な光音響画像ｑ（ｘ，ｙ）が得られる。
【００５２】
上記特許文献の他にも、Yuan Xu, et al., IEEE Transactions on Medical Imaging, Volume 21 (2002), p.823-828（以下、非特許文献１）には、論理的には、有限の時間幅を持つ光パルスη（ｔ）をフーリエ変換したものη（ｋ）としたとき、その微分をｉη（ｋ）として考慮することが記載されている。実験的には、超音波検出素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）での検出帯域以内に励起光パルス波形が入るようにパルス幅を長くしたマイクロ波を被検体に照射し、通常のＰＺＴプローブで光音響信号を検出し、吸収分布を再構成している。
【００５３】
また、Yi Wang, et al., Physics in Medicine and Biology, Volume 49 (2004), p.3117-3124（以下、非特許文献２）には、被写体中の微小要素からの圧力波形としてのミクロ波形であって光パルス微分関数と装置インパルス応答関数とを合わせたミクロ波形と、吸収分布とを、観測圧力波形に関連付けることが記載されている。吸収像再構成は、光微分とシステム応答とを不可分な状態で含むｐｄ０を測定して、各素子の圧力波形からｐｄ０をデコンボリューションしたのちに、フィルタ補正逆投影法（Filtered Backprojection法）を用いて行う。実験的には、パルス幅の短いパルスレーザ光で励起し、超音波の検出帯域を通常の超音波診断装置よりも広げて、ハイドロホン＋オシロスコープで光音響信号を検出し、吸収分布を再構成する。
【００５４】
しかしながら、非特許文献１では、光パルスをフーリエ変換したη（ｋ）を位置依存の関数η（ｒ，ｋとして扱っていない。このため、ｔ＝０に再構成できる（検出した波形を基に時間を遡って光が入射した瞬間（ｔ＝０）に発生した圧力分布を推定する計算を行うことができる）場合には正確な吸収分布を得ることができるものの、ｔ≠０に再構成した場合（光が入射した瞬間（ｔ＝０）の圧力分布を再構成できずに、時刻ｔ＝０からしばらく時間が経った後の圧力分布を推定することになる場合）には、光パルス幅成分が除去できず、圧力分布となる。
【００５５】
また、非特許文献１及び２では、励起レーザと超音波検出装置とのどちらかを実用的な範囲から外してレーザ発光時間と超音波検出時とを合わせて再構成している。このため、非特許文献１及び２では問題は明確には現れないものの、実用的な装置構成を考えた場合、非特許文献１及び２の手法では、ｔ＝０とする再構成が困難である。すなわち、例えば実用的な装置構成として、
・サンプリング周波数１００ＭＨｚ以下で、ＰＺＴなどを利用した狭帯域プローブを用いた超音波検出装置
・強い光音響信号が出る１−１００ｎｓオーダーの光パルス幅を持つ励起レーザ
を用いた場合、レーザパルス発光が超音波検出時間と比較して短時間の現象のため、ｔ＝０に相当する状態（吸収分布と圧力分布とが比例する時間帯）に正確に再構成できない。
【００５６】
ここで、「時刻ｔ＝０の圧力分布」は「吸収分布」を表すので、時刻ｔ＝０圧力分布が求められれば吸収分布を得ることができる。しかし、一般的な超音波検出装置のサンプリング間隔は２５ｎｓ程度であり、光が当たった瞬間の時刻ｔ＝０のつもりで計算しても、実際はｔ＝±１２．５ｎｓ程度の時間幅でずれが生じる。例えば光パルス幅が１００ｎｓと長い場合には、上記のずれ（±１２．５ｎｓ）は誤差と考えればよいものの、光パルス幅が１０ｎｓであれば、上記のずれは誤差とは呼べなくなり、光が当たった瞬間の圧力分布というよりも圧力波の伝播過程の圧力分布に移行することとなる。その「圧力波の伝播過程の圧力分布」は、「吸収分布」に一致しない。
【００５７】
更に、実験的な生体等のサンプルにおいては、ｔ＝０の圧力分布を定義することが困難である。生体内の音速を例えば１５３０ｍ／ｓと仮定し、検出時刻とレーザ照射時刻との差を伝播時間とすると、伝播時間から伝播距離が求める。生体内の音速が１５３０ｍ／ｓで一定であれば、伝播時間から求めた伝播距離は実際の伝播距離と一致する。しかし、実際には、音速は生体内で一様ではなく、計算上の伝播距離と実際の伝播距離とにずれが生じる。従って、検出信号から伝播距離を推定する場合には、音速差に起因する伝搬距離のあいまいさが残る。生体内の伝播距離のあいまいさを伝播時間のあいまいさと捉えると、時刻ｔ＝０も曖昧性を持つことになり、ｔ＝０の圧力分布というのもあいまいになり、定義が困難となる。ｔ＝０の分布が吸収分布であるのに対し、ｔ＞０の分布は伝播時の圧力分布であり、これらが混ざると吸収分布とは言えなくなる。
【００５８】
そこで、本発明者は、実用的な装置においても検出信号から吸収分布を求めることを試みた。
【００５９】
光吸収体であるミクロ吸収粒子を考え、このミクロ吸収粒子がパルスレーザ光を吸収して圧力波（光音響圧力波）が生じることを考える。時刻をｔとして、位置ｒにあるあるミクロ吸収粒子から発生する光音響圧力波を、位置Ｒで観測した場合の圧力波形ｐｍｉｃｒｏ（Ｒ，ｔ）は、[Phys. Rev. Lett. 86(2001)3550.]より、以下の球面波となる。
【数１】
2013128760.tif 000003
【００６０】
ここで、Ｉ（ｔ）は励起光の光強度の時間波形であり、係数ｋは、粒子が光を吸収して音響波を出力する際の変換係数であり、ｖｓは被検体の音速である。また、位置ｒ、Ｒは、空間上の位置を示すベクトルである。ミクロ吸収粒子から発生する圧力は、上記式に示すように、光パルス微分波形に比例した球面波となる。
【００６１】
実際にイメージングする対象から得られる圧力波形は、よりマクロな吸収体のサイズを有しているため、上記のミクロ吸収波形を重ね合わせた波形になると考える（重ね合わせの原理）。ここで、マクロな光音響波を発する粒子の吸収分布をＡ（ｒ−Ｒ）とし、そのマクロな吸収体からの圧力の観測波形をｐｍａｃｒｏ（Ｒ，ｔ）とする。観測位置Ｒでは、各時刻において、観測位置Ｒから半径ｖｓｔに位置する吸収粒子からの光音響波が観測されることになるため、観測波形ｐｍａｃｒｏ（Ｒ，ｔ）は、以下の圧力波形の式で示される。
【数２】
2013128760.tif 000004
【００６２】
上記式（１）からわかるように、観測波形は、光パルス微分のコンボリューション型を示す。
【００６３】
非特許文献２では、上記式に更に装置インパルス応答をコンボリューションした式を基本に考え、観測波形ｐｍａｃｒｏから、光微分とシステム応答とを不可分な状態で含むｐｄ０をデコンボリューションした後に、吸収分布Ａ（ｒ−Ｒ）の再構成をフィルタ補正逆投影法で行うことを提案している。非特許文献２では、光パルス微分の影響よりも装置インパルス応答を考慮することを重視しており、それゆえに、装置として十分Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）が取れていない周波数帯域まで強調され、処理後の画像ノイズが増加する。そのため、非特許文献２では、高周波フィルタを含めて処理することが必要になる。
【００６４】
非特許文献２のように帯域が広い超音波プローブを用いるならば上記の方法でもよい。しかし、実用的な狭帯域プローブを用いた場合には、装置のインパルス応答に対して検出する超音波信号の周波数が低いため、通常の超音波プローブで検出する信号（低周波）に対してデコンボリューションする波形の帯域が広くなり、適切にデコンボリューションすることができず、画像として破たんが生じる。そこで、吸収分布を得る上で重要なのは光パルス微分項を考慮することであるため、本発明では、デコンボリューション処理において、光パルス微分項のみを考慮してデコンボリューションを行うこととする。
【００６５】
更に、本発明では、従来の超音波システムにおいても用いられている圧力分布を求める再構成（ＦＴＡ法、ＤｎＳ法、ＢＰ法など）を適用後に、再構成後の画像がｔ≠０の圧力分布、すなわち圧力波の伝播過程の圧力分布であることを認識の上で、これを吸収分布に変換することを考えた。圧力分布再構成の基本的な考え方としては、検出位置Ｒ＝（ｘ，ｙ，０）の再構成後の圧力分布ｐｒｅｃ（Ｒ，ｔ）は、各時刻ｔにおける、Ｒの検出軸（ｒ−Ｒ）上の｜ｒ−Ｒ｜位置に存在する吸収体から発生する球面波を、周囲の圧電素子の信号も含めて足し合わせてその位置における圧力強度を計算して得られる。従って、検出軸（ｒ−Ｒ）に存在するミクロの吸収体から発生し、伝播する光音響波を重ねあわせたｐｒｅｃ（Ｒ，ｔ）は以下のように表記できる。
【数３】
2013128760.tif 000005
【００６６】
このように吸収分布を１次元で考えて良くなることで、上記式のような圧力表記が可能となる。上記式（２）は、検出軸（ｒ−Ｒ）をｚ軸、検出素子からの距離｜ｒ−Ｒ｜をｚとすると、下記のように表すことができる。
【数４】
2013128760.tif 000006
【００６７】
更に、式（３）から積分とは関係ないｘ，ｙは表記を省略し、ｚ軸を時間で表記すると、上記式は、下記式のように表すことができる。
【数５】
2013128760.tif 000007
【００６８】
このように、（ｘ，ｙ，０）に位置する検出素子における１軸（時間軸又はｚ’軸）のコンボリューション表記が可能となる。
【００６９】
上記式（４）の両辺をフーリエ変換し、周波数軸において、圧力分布のフーリエ係数を光パルスの時間微分のフーリエ係数で割ることで、光パルス微分をデコンボリューションすることができる。
【数６】
2013128760.tif 000008
【００７０】
デコンボリューション後、得られた式を、フーリエ逆変換することで、Ａ（ｘ，ｙ，ｖｓｔ）を求め、吸収分布を画像化することができる。ここで求めたＡ（ｘ，ｙ，ｖｓｔ）には、検出素子受信角度依存性Ｄ（ｘ，ｙ，ｚ）や、プローブ帯域の固有振動が重畳されている可能性がある。例えば、装置関数Ｄ（ｘ，ｙ，ｚ）を事前に求めておいた上でその逆数をＡ（ｘ，ｙ，ｖｓｔ）に掛けることで、検出素子受信角度依存性の影響を除去できる。また、帯域の固有振動に関してはヒルベルト変換や直交検波処理により強度画像化すれば、その影響を除去することができる。更に、検体に入射する光空間分布Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）を別に観測やシミュレーションにより求め、吸収係数に比例する画素値μ（ｘ，ｙ，ｚ）を、μ（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ａ（ｘ，ｙ，ｖｓｔ）／Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）により求めてもよい。この場合、より生体組織と密接な関係のある物理量である吸収係数の分布画像を得ることができる。
【００７１】
以上を踏まえ、光パルス微分波形のデコンボリューションの手順について説明する。
【００７２】
まず、再構成後の光音響信号を入力し、再構成後の光音響信号をフーリエ変換手段４１においてＦＦＴによりフーリエ変換する。図５Ａに再構成後の光音響信号を示し、図５ＢにＦＦＴ後の光音響信号ＦＦＴを示す。フーリエ変換することで、図５Ａに示す時間領域の信号が、図５Ｂに示すような周波数領域の信号に変換される。なお、図５Ｂでは、光音響信号ＦＦＴの絶対値を示しているが、実際の処理では複素数のまま処理される。
【００７３】
そして、光パルス微分波形ｈをフーリエ変換手段４２においてＦＦＴによりフーリエ変換する。図５Ｃに光パルス微分波形（ｈ）を示し、図５ＤにＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）を示す。フーリエ変換することで、図５Ｃに示す時間領域の信号（波形）が、図５Ｄに示す周波数領域の信号に変換される。なお、図５Ｃにおける黒丸は、光パルス微分波形におけるサンプリング点を表している。また、図５Ｄでは、光パルス微分波形ＦＦＴの絶対値を示しているが、実際の処理では複素数のまま処理される。
【００７４】
そして、逆フィルタ演算手段４３によって、上記で得られたＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）の逆数を、光パルス微分波形ＦＦＴフィルタ（逆フィルタ）として求める。光パルス微分波形ＦＦＴフィルタは、具体的にはconj(fft_h)/abs(fft_h)2で求めることができる。ここで、conj(fft_h)はfft_hの共役複素数、abs(fft_h)はfft_hの絶対値を表す。図５Ｅに、光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを示す。図５Ｄに示す光パルス微分波形ＦＦＴの逆数を求めることで、図５Ｅに示すような光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを得ることができる。
【００７５】
上記のようにして求めた光パルス微分ＦＦＴフィルタと、再構成後の光音響信号ＦＦＴとをフィルタ適用手段４４によって要素ごとに乗算し、光音響信号ＦＦＴから光パルス微分波形をデコンボリューションする。図５Ｆに、デコンボリューション後のＦＦＴ波形を示す。図５Ｂに示す光音響信号ＦＦＴと図５Ｅに示す光パルス微分波形ＦＦＴフィルタとの乗算を行うことで、図５Ｆに示すＦＦＴ波形が得られる。
【００７６】
そして、光パルス微分波形をデコンボリューションしたＦＦＴ波形を、フーリエ逆変換手段４５において逆ＦＦＴによりフーリエ逆変換し、周波数領域の信号を時間領域の信号に戻す。図５Ｇは、逆変換された光音響信号を示す。図５Ｆに示すＦＦＴ波形（周波数領域の信号）を逆ＦＦＴすることで、図５Ｇに示すデコンボリューション後の光音響信号（時間領域の信号）が得られる。このデコンボリューション後の光音響信号は、光吸収分布に光パルス微分波形（図５Ｃ）がコンボリューションされた再構成後の光音響信号（図５Ａ）から、光パルス微分波形をデコンボリューションした吸収分布に相当する。
【００７７】
図６Ａに、再構成後の光音響信号（図５Ａ）に基づいて生成した光音響画像を示し、図６Ｂに、デコンボリューション後の光音響信号（図５Ｇ）に基づいて生成した光音響画像を示す。図６Ａに示す、再構成後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像は、実質的に圧力分布を画像化したものであり、１本の血管が二重に表示されるなど、画像判定上、血管の位置が確認しづらい。これに対し、図６Ｂに示すデコンボリューション後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像は、光パルス微分波形をデコンボリューションしていることで吸収体の分布を画像化できており、血管の位置を確認しやすくなっている。
【００７８】
本実施形態においては、光音響信号のサンプリングレートと光パルス微分波形のサンプリングレートとは等しいものとする。例えば光音響信号はＦｓ＝４０ＭＨｚのサンプリングクロックに同期してサンプリングされており、光微分パルスも、Ｆｓ＿ｈ＝４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングされている。フーリエ変換手段４１は、４０ＭＨｚでサンプリングされた光音響信号を、例えば１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。また、フーリエ変換手段４２は、４０ＭＨｚでサンプリングされた光パルス微分波形を１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。
【００７９】
図７は、本実施形態における光音響画像生成方法における動作手順を示す。
【００８０】
トリガ制御回路２９は、レーザユニット１３に対して光トリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、光トリガ信号を受けてフラッシュランプ３１を点灯する。トリガ制御回路２９は、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、Ｑスイッチトリガ信号が入力されると、Ｑスイッチ３２をＯＮにし、パルスレーザ光を出射する。出射したパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される（Ｓｔｅｐ１）。
【００８１】
プローブ１１は、レーザ光の照射後、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出し、この時のプローブ１１の位置情報を取得する（Ｓｔｅｐ２）。超音波ユニット１２の受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。そして、プローブ１１が走査され（Ｓｔｅｐ３）、光音響画像として撮像する対象となる領域すべてに対して走査を行った場合には、光音響信号の検出および位置情報の取得を終了する（Ｓｔｅｐ４）。トリガ制御回路２９は、被検体に対する光照射のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送る。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号を受けて光音響信号のサンプリングを開始し、光音響信号のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する（Ｓｔｅｐ５）。このとき、位置情報も一緒に受信メモリ２３に格納される。
【００８２】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号のサンプリングデータを読み出し、読み出した光音響信号のサンプリングデータに基づいて、光音響信号を再構成する（Ｓｔｅｐ６）。光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成された光音響信号から、被検体に照射されたパルスレーザ光の光強度の時間波形を微分した光パルス微分波形をデコンボリューションする（Ｓｔｅｐ７）。このデコンボリューションにより、吸収分布を示す光音響信号が得られる。
【００８３】
補正手段２６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号を、検出素子受信角度依存性や被検体における光の入射分布で補正する。検波・対数変換手段２７は、補正手段２６で補正された光音響信号の包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、ある断面における光音響画像を生成する。この光音響画像は、吸収分布をデータ化した吸収分布画像である。
【００８４】
画像合成手段３８はこれらの光音響画像および位置情報を使用してボリュームデータを生成する（Ｓｔｅｐ８）。さらに、観察方式選択手段３９によって、ボリュームデータの表示態様が決められる（Ｓｔｅｐ９）。画像表示手段１４は、表示画面上に、所定の表示態様による吸収分布を表す光音響画像を表示する（Ｓｔｅｐ１０）。
【００８５】
本実施形態では、ひとまず、光音響画像再構成手段２４にて、通常の再構成法により発光時刻(ｔ＝０)の圧力分布として光音響信号（光音響画像）を再構成する。つぎに、実際は、光の発光時間は有限の長さであることから、再構成時にｔ＝０としていた時刻を、有限の時間と考え、光微分波形逆畳込み手段２５にて、再構成後の光音響画像から光パルス微分波形をデコンボリューションする。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、吸収分布を得ることができ、吸収分布画像を生成することができる。このような手法を採用することで、実用的な光パルス幅と実用的な超音波システム、或いは実際の生体を観測した場合でも、吸収分布を画像化することができる。これは、現状システムの検出器の帯域やＡＤサンプリングを使用できる利点がある。また、本実施形態においては光音響画像の再構成で圧力分布を一度出しているため、既存の超音波アルゴリズム、装置との親和性が高い。
【００８６】
非特許文献２との比較では、非特許文献２では、光微分関数と装置インパルス応答関数とが不可分な状態でデコンボリューションされている点で、本発明は非特許文献２の発明と異なる。すなわち、狭帯域の通常の超音波プローブ、例えば８ＭＨｚの超音波プローブを用いた場合、その超音波プローブにより４〜１２ＭＨｚの信号を検出できるが、帯域の端となる４ＭＨｚや１２ＭＨｚでは検出感度が低いため、４ＭＨｚや１２ＭＨｚのＳ／Ｎは８ＭＨｚのＳ／Ｎよりも低い。非特許文献２では、装置インパルス応答を考慮（補正）することを重視しており、検出感度の低い４ＭＨｚや１２ＭＨｚの信号が強調され、結果としてＳ／Ｎの悪い周波数成分が強調された画像が生成されてしまう。これに対し、本発明では、光パルス微分波形のみがデコンボリューションされる。したがって、光パルス微分波形でＳ／Ｎを下げずに光音響信号を処理しつつ、装置インパルス応答に相当する成分をデコンボリューション後に光音響信号から除去することができるため、Ｓ／Ｎを下げずに光音響画像を生成できる。
【００８７】
以上のように、本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、測定光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形を光音響波の光音響信号からデコンボリューションし、デコンボリューションされた光音響信号と空間情報とを使用して、光音響信号についてのボリュームデータを生成することを特徴とする。したがって、従来の圧力波の伝搬過程における圧力分布を表す光音響信号を、光吸収体の吸収分布を表す光音響信号に変換することができる。この結果、光音響イメージングにおいて、光吸収体の吸収分布を表す光音響画像を光音響信号から生成することが可能となる。
【００８８】
「光音響画像生成装置の第２の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態を詳細に説明する。第１の実施形態では、光音響信号のサンプリングレートと光パルス微分波形のサンプリングレートとが一致しており、双方の信号を同じデータ点数でフーリエ変換した。本実施形態では、光音響信号を低速サンプリングする一方で、光パルス微分波形を高速サンプリングする。つまり、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。例えば光音響信号のサンプリング間隔（サンプリングレートの逆数）は、被検体に照射される光のパルス時間幅よりも長く設定される。フーリエ変換に際しては、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、光パルス微分波形のサンプリングレートと同じサンプリングレートでリサンプル（アップサンプル）した上で、フーリエ変換を行う。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【００８９】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４、位置情報取得手段１５および入力手段１６を備える。
【００９０】
図８は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ａを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ａは、図４に示す第１実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、リサンプル手段４６及び４７を有する。リサンプル手段４６は、アップサンプル手段であり、低いサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号のサンプリングデータを、光パルス微分波形のサンプリングレートと同じサンプリングレートでリサンプルする（アップサンプル）。リサンプル手段４６は、例えば、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号のサンプル点間にゼロを付加し、アップサンプル前のナイキスト周波数でカットするローパスフィルタをかけることでアップサンプルを行う。
【００９１】
例えば、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）が４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）が４００ＭＨｚであったとする。この場合、リサンプル手段４６は、４０ＭＨｚの光音響信号を４００ＭＨｚの信号にアップサンプルする。フーリエ変換手段４１は、リサンプル手段４６でアップサンプルされた光音響信号をフーリエ変換する。光音響信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段４１と、光パルス微分波形をフーリエ変換するフーリエ変換手段４２とは、同じデータ点数でフーリエ変換を行う。例えばフーリエ変換手段４１は光音響信号を８１９２点の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は光パルス微分波形を８１９２点の周波数領域の信号に変換する。
【００９２】
フィルタ適用手段４４は、アップサンプルされた光音響信号をフーリエ変換した信号に対して逆フィルタを適用する。フーリエ逆変換手段４５は、逆フィルタが適用された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号（吸収分布）へと変換する。時間領域の信号に戻された吸収分布信号は、例えば４００ＭＨｚにアップサンプルされた状態の信号となっている。リサンプル手段４７は、吸収分布信号が、光音響信号の元のサンプルリングレートに、吸収信号をダウンサンプルする。リサンプル手段４７は、例えば４００ＭＨｚの吸収信号を４０ＭＨｚの吸収信号にダウンサンプルする。ダウンサンプリングは、例えばダウンサンプル後のナイキスト周波数でカットするローパスフィルタをかけた後に、サンプル点を間引くことで行う。
【００９３】
図９Ａに、４００ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示し、図９Ｂに、４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す。サンプリングレート４００ＭＨｚでは、図９Ａに示すように、光パルス微分波形を正確に再現できる。一方、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートに合わせ、４０ＭＨｚでサンプリングすると、図９Ｂに示すように、光パルス微分波形を正確に再現できなくなる。
【００９４】
フィルタ適用手段４４にて光音響信号をフーリエ変換した信号に逆フィルタを適用する際には、双方のデータ点数が揃っている必要がある。光音響信号のサンプリングレートに合わせて光パルス微分波形のサンプリングレートを設定すると、図９Ｂに示したように、波形変化に対してサンプリング周波数が低すぎ、光パルス微分波形が正確に再現できない。このような光パルス微分波形から求めた逆フィルタを適用した場合、光パルス微分項を正確にデコンボリューションできずに、吸収分布を正しく求められないこともある。
【００９５】
一方、光パルス微分波形を正確に再現するために光パルス微分波形のサンプリングレートを例えば４００ＭＨｚに設定し、光音響信号のサンプリングレートを４００ＭＨｚに合わせるとした場合は、光パルス微分項を正確にデコンボリューションでき、吸収分布を正しく求めることができる。しかしながら、その場合、ＡＤ変換手段２２には高速なＡＤ変換器が要求され、また、サンプリングデータの総数が増えることから、受信メモリ２３に要求されるメモリ容量が増大する。更に、光音響画像再構成手段２４で取り扱うデータが増えるため、再構成に要する時間も長くなる。
【００９６】
本実施形態では、リサンプル手段４６で、事後的に光音響信号のサンプリングデータをリサンプルする。本実施形態では、検出後の光音響信号を信号処理でアップサンプルしているため、光音響の検出から再構成までは低速サンプリングしつつも、光パルス微分項を正確にデコンボリューションすることができる。本実施形態では、ＡＤ変換手段２２に高速なＡＤ変換器は不要であり、受信メモリ２３に必要なメモリ容量も増大しない。また、光音響信号の再構成に要する時間も増大せず、光音響信号の検出時に高いサンプリングレートでサンプリングする場合に比して、処理時間を短縮することができる。
【００９７】
「光音響画像生成装置の第３の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、第２の実施形態と同様に、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。第２の実施形態では、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号をアップサンプルし、双方の信号を同じデータ点数でフーリエ変換した。本実施形態では、光パルス微分波形のフーリエ変換を、光音響信号のフーリエ変換のデータ点数よりも多いデータ点数で行い、フーリエ変換された光音響信号に対して、データ点数の差の分だけ中央（高周波成分領域）にゼロ点を付加する。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【００９８】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４、位置情報取得手段１５および入力手段１６を備える。
【００９９】
図１０は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｂを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｂは、図４に示す第１の実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、ゼロパディング手段４８とゼロ点除去手段４９とを有する。例えば、光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）は４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）は３２０ＭＨｚであるとする。フーリエ変換手段４１は、例えば４０ＭＨｚの光音響信号を１０２４点（第１のデータ点数）の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は、３２０ＭＨｚの光パルス微分波形を８１９２点（第２のデータ点数）の周波数領域の信号に変換する。第２のデータ点数は、第１のデータ点数に、第２のサンプリングレートと第１のサンプリングレートとの比を乗じたデータ点数と等しいか、又はそれよりも多い。
【０１００】
ゼロパディング手段４８は、フーリエ変換手段４１から周波数領域の信号に変換された光音響信号を入力する。ゼロパディング手段４８は、フーリエ変換された光音響信号に対して、フーリエ変換後の光音響信号と光パルス微分波形のデータ点数の差の分だけ中央にゼロ点（信号値ゼロの点）を付加する。ゼロパディング手段４８は、例えば周波数領域で表されたデータ点数１０２４点の光音響信号を、ナイキスト周波数(サンプリング周波数の１／２)で２つに分割し、分割した２つの周波数領域の間にデータ点数の差の分だけゼロ点を付加し、周波数領域で表された光パルス微分波形のデータ点数と同じデータ点数８１９２点の光音響信号を生成する。ゼロ点の付加は、周波数領域におけるアップサンプリングに相当する。
【０１０１】
フィルタ適用手段４４は、ゼロパディング手段４８でゼロパディングが施された信号に対して逆フィルタを適用する。ゼロ点除去手段４９は、逆フィルタが適用された信号からゼロパディング手段４８で“０”が付加された周波数帯域を除去する。例えばゼロパディング手段４８にてデータ点数１０２４点の光音響信号（周波数領域）がデータ点数８１９２点の信号に変換されていたとき、ゼロ点除去手段４９は、フィルタ適用後の信号（データ点数８１９２点）をデータ点数１０２４点の信号に戻す。ゼロ点の除去は、周波数領域におけるダウンサンプリングに相当する。フーリエ逆変換手段４５は、データ点数１０２４点に戻された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。
【０１０２】
図１１Ａに、フーリエ変換された光音響信号を示し、図１１Ｂに、ゼロパディング後の光音響信号を示す。例えば、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングレートが４０ＭＨｚであるとき、その光音響信号をフーリエ変換した信号は、図１１Ａに示すように、０ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの周波数帯域の信号となる。この信号を、中心周波数である２０ＭＨｚを境に２つの領域Ａ、Ｂに２分割する。ゼロパディング手段４８は、図１１Ｂに示すように、２つの領域の間にゼロ点を８１９２−１０２４＝７１６８個挿入する。ゼロ点が付加された結果、領域Ｂの信号は、３００ＭＨｚから３２０ＭＨｚの周波数領域に対応した信号となる。
【０１０３】
本実施形態では、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を周波数領域の信号に変換し、変換された周波数領域の信号の高周波成分の領域のゼロ点を付加する。本実施形態と第２の実施形態との相違点は、第２の実施形態では、光音響信号をアップサンプルするのに対し、本実施形態では、光音響信号を周波数領域でアップサンプルする点である。時間領域に代え、周波数領域において、双方の信号の帯域差を埋めるようにリサンプル（アップサンプル）を行う場合も、第２の実施形態と同様に、光音響の検出から再構成までは低速サンプリングしつつも、光パルス微分項を正確にデコンボリューションすることができる。
【０１０４】
「光音響画像生成装置の第４の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第４の実施形態を詳細に説明する。本実施形態においても、第２及び第３の実施形態と同様に、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。本実施形態では、光パルス微分波形を、光音響信号のフーリエ変換のデータ点数よりも多いデータ点数で行い、フーリエ変換された光微分波形から高周波成分サンプル点を除去し、その逆数を逆フィルタとして求める。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１０５】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４、位置情報取得手段１５および入力手段１６を備える。
【０１０６】
図１２は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｃを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｃは、図４に示す第１の実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、高周波成分サンプル点除去手段５０を有する。例えば、光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）は４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）は３２０ＭＨｚであるとする。フーリエ変換手段４１は、例えば４０ＭＨｚの光音響信号を１０２４点（第１のデータ点数）の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は、３２０ＭＨｚの光パルス微分波形を８１９２点（第２のデータ点数）の周波数領域の信号に変換する。第２のデータ点数は、第１のデータ点数に、第２のサンプリングレートと第１のサンプリングレートとの比を乗じたデータ点数と等しいか、又はそれよりも多い。
【０１０７】
高周波成分サンプル点除去手段５０は、フーリエ変換手段４２から周波数領域の信号に変換された光パルス微分波形を入力する。高周波成分サンプル点除去手段５０は、フーリエ変換された光パルス微分波形から、フーリエ変換後の光音響信号と光パルス微分波形のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する。高周波成分サンプル点除去手段５０は、例えば周波数領域で表されたデータ点数８１９２点の光パルス微分波形から高周波成分に相当する中央のデータ点を削除し、周波数領域で表された光音響信号のデータ点数と同じデータ点数１０２４点の光パルス微分波形を生成する。高周波成分サンプル点の除去は、周波数領域における光パルス微分波形のダウンサンプリングに相当する。
【０１０８】
図１３Ａに、フーリエ変換された光パルス微分波形を示し、図１３Ｂに、高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形を示す。例えば、光パルス微分波形のサンプリングレートが３２０ＭＨｚであるとき、その光パルス微分波形をフーリエ変換した信号（データ点数８１９２点）は、図１３Ａに示すように、０ＭＨｚから３２０ＭＨｚまでの周波数帯域の信号となる。この信号を、１番目のデータ点から５１２番目までの領域（領域Ａ）、５１３番目のデータ点から７６８０番目のデータ点までの領域（領域Ｂ）、及び、７６８１番目のデータ点から８１９２番目のデータ点までの領域（領域Ｃ）の３つの領域に分け、領域Ｂのデータ点を除去する。図１３Ｂに示すように、領域Ａと領域Ｃとをつなげることで、０ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの周波数帯域に対応したデータ点数１０２４点の光パルス微分波形が得られる。
【０１０９】
逆フィルタ演算手段４３は、周波数領域で表されかつ高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形の逆数を逆フィルタとして求める。逆フィルタ演算手段４３は、例えばデータ点が８１９２点から１０２４点に削減された光パルス微分波形の逆数を逆フィルタとして求める。フィルタ適用手段４４は、例えば周波数領域で表されたデータ点数１０２４点の光音響信号と逆フィルタとを要素ごとに乗算する。フーリエ逆変換手段４５は、逆フィルタが適用された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。
【０１１０】
ここで、第４の実施形態では、フィルタ適用手段４４は、図１１Ｂに示す高周波成分の領域にゼロ点が付加された光音響信号と、図１３Ａに示す光パルス微分波形の逆数とを乗算する。光音響信号の高周波成分領域の値は“０”であるため、光パルス微分波形の高周波成分（図１３Ａの領域Ｂ）は、逆フィルタ適用後の光音響信号に影響を与えない。従って、本実施形態のように、光パルス微分波形の周波数領域の信号から高周波成分サンプル点を除去し、高周波成分を除去した光パルス微分波形から逆フィルタを求め、求めた逆フィルタを周波数領域で表された光音響信号に適用しても、得られる結果は第３の実施形態と同じ結果となる。つまり、本実施形態においても、第３の実施形態と同様な効果が得られる。
【０１１１】
「光音響画像生成装置の第５の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第５の実施形態を詳細に説明する。図１４は、光音響画像生成装置の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。なお、本実施形態においては音響波として超音波を用い、かつ反射音響波画像として超音波画像を生成する。しかしながら、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択することにより、超音波に代えて可聴周波数の音響波であっても良い。また、超音波画像を生成する形態を第２から第４の実施形態のいずれかと組み合わせることもできる。
【０１１２】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１１３】
＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニットは、図１に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路３３、データ分離手段３４、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、および超音波画像構築手段３７を備える。
【０１１４】
本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う超音波振動子としては、本発明における音響波検出手段に含まれる超音波振動子を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな超音波振動子を使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。
【０１１５】
トリガ制御回路２９は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３３は、トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
【０１１６】
プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路２９は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ここで、反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復するのに対し、光音響信号はその発生位置からプローブ１１までの片道である。反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響信号の検出に比して２倍の時間がかかるため、ＡＤ変換手段２２のサンプリングクロックは、光音響信号サンプリング時の半分、例えば２０ＭＨｚとしてもよい。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。光音響信号の検出（サンプリング）と、反射超音波の検出（サンプリング）とは、どちらを先に行ってもよい。
【０１１７】
データ分離手段３４は、受信メモリ２３に格納された光音響信号のサンプリングデータと反射超音波のサンプリングデータとを分離する。データ分離手段３４は、分離した光音響信号のサンプリングデータを光音響画像再構成手段２４に入力する。パルスレーザ光のパルス幅に応じて信号処理の経路を変えてもよいことと、光パルス微分波形のデコンボリューションを含む光音響画像（吸収分布画像）の生成は、第１の実施形態と同様である。データ分離手段３４は、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像再構成手段３５に入力する。
【０１１８】
超音波画像再構成手段３５は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリングデータ）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。各ラインのデータの生成には、光音響画像再構成手段２４における各ラインのデータの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。検波・対数変換手段３６は、超音波画像再構成手段３５が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
【０１１９】
超音波画像構築手段３７は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、及び超音波画像構築手段３７は、反射超音波に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段（反射音響波画像生成手段）を構成する。
【０１２０】
画像合成手段３８は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３８は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えて表示することも可能である。
【０１２１】
本実施形態では、光音響画像生成装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで吸収分布を画像化できる点は、第１実施形態と同様である。また、超音波画像の生成と光音響画像の生成とで、画像再構成や検波・対数変換などのアルゴリズムの大部分を共通化でき、ＦＰＧＡ回路構成やソフトの簡略化が可能であるなどの実用上のメリットを有する。
【０１２２】
「光音響画像生成装置の第６の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第６の実施形態を詳細に説明する。図１５は、光音響画像生成装置の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、被検体に対して複数の波長の光を照射する点で、第１の実施形態と相違する。本実施形態の光音響画像生成装置１０ｂは、図１に示す第１の実施形態の光音響画像生成装置１０の構成に加えて、複数の波長を含む光の各波長成分（各波長の光）に対する光音響信号（光音響画像）同士の演算を行う２波長データ演算手段５２を備える。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。なお、本実施形態を第２から第５の実施形態のいずれかと組み合わせて、それら実施形態において当該光を照射し、各波長成分に対する光音響信号（光音響画像）同士の演算を行うこととしてもよい。
【０１２３】
本実施形態では、レーザユニット１３は、複数の波長の光を切り替えて出射可能に構成されている。レーザユニット１３は、例えば波長７５０ｎｍのパルスレーザ光と波長８００ｎｍのパルスレーザ光を切り替えて出射する。プローブ１１は、各波長のパルスレーザ光の出射後に被検体からの光音響信号を検出し、受信メモリ２３には、各波長の光に対応した光音響信号のサンプリングデータが格納される。格納された各波長の光に対応した光音響信号は、それぞれ光音響画像再構成手段で再構成される。
【０１２４】
光微分波形逆畳込み手段２５は、光音響画像再構成手段２４による再構成後、各波長の光に対応した光音響信号（光音響画像）から、被検体に照射された各波長の光の光強度の時間波形の微分波形（光微分波形）をそれぞれデコンボリューションする。各波長の光に対応した光微分波形がデコンボリューションされた光音響信号は、補正手段２６による補正の後、２波長データ演算手段５２にて処理される。
【０１２５】
ここで、生体組織の多くは光吸収特性が光の波長に応じて変わり、また一般に、その光吸収特性も組織ごとに特有のものとなっている。例えば、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン（酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb）の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は波長８００ｎｍにおけるそれも低い。また、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は波長８００ｎｍにおけるそれよりも高い。この性質を利用し、波長８００ｎｍの光に対応した光音響信号に対して、波長７５０ｎｍの光に対応した光音響信号が相対的に大きいのか小さいのかを調べることで、動脈からの光音響信号と静脈からの光音響信号とを判別することができる。
【０１２６】
２波長データ演算手段５２は、例えば複数波長に対応した光音響信号間の相対的な大小関係を比較する。具体的には、２波長データ演算手段５２は、波長７５０ｎｍの光が照射されたときに検出された光音響信号と、波長８００ｎｍの光が照射されたときに検出された光音響信号とを比較し、どちらがどれだけ大きいかを調べる。画像表示に際しては、波長７５０ｎｍの光が照射されたときに検出された光音響信号が大きければ静脈からの光音響信号と判断できるため、その部分を例えば青色で表示するとよい。また、波長８００ｎｍの光が照射されたときに検出された光音響信号が大きければ動脈からの光音響信号と判断できるため、その部分を例えば赤色で表示するとよい。なお、第１の実施形態においても説明したように、補正手段２６は省いてもよい。
【０１２７】
本実施形態では、２波長データ演算手段５２は、光微分波形のデコンボリューション後に、各波長の光に対応した光音響信号同士の演算を行う。複数の波長の光を被検体に照射する場合、例えば１つ目の波長の光の照射により生じた光音響信号を検出した後、２つ目の光の照射により生じた光音響信号を検出するとき、体動などの影響で、各波長の光の照射ごとに位置ずれが生じることがある。各波長の光に対応した光音響信号同士を比較する際には、同じ場所から発生した光音響信号同士を比較することが好ましい。光微分波形をデコンボリューションしない場合には、図６Ａに示したように１本の血管が二重に表示されるなど、画像判定上、血管の位置が確認しづらく、位置ずれ補正がしにくい。一方、光微分波形をデコンボリューションした場合には、図６Ｂに示したように光吸収分布を画像化でき、血管の位置が確認しやすくなり、位置ずれ補正も容易となる。
【０１２８】
また、図６Ａに示したように１本の血管が二重に表示される場合には、血管の内部に相当する部分に信号が存在しない（或いは、信号レベルが所定レベルよりも低い）ため、各波長の光に対応した画像間で位置ずれが生じていると、信号が存在する部分、すなわち血管画像の重複部分が少なくなる。この場合、各波長の光に対応した光音響信号同士で相対的な大小関係を適切に比較することが難しくなる。これに対し、図６Ｂに示したように光吸収分布を画像化した場合には、血管画像内の多くの部分が信号が存在する部分となり、各画像内の血管画像について多少位置ずれが生じたとしても、各画像内の血管画像同士で多くの部分が重複する。従って、本実施形態において、双方の画像の位置合わせをせずに比較する場合でも、その位置ずれの影響を軽減することができる。
【０１２９】
「設計変更」
なお、上記各実施形態では、光音響信号及び光パルス微分波形を周波数領域の信号に変換し、周波数領域でデコンボリューション後に時間領域の信号に戻しているが、これには限定されない。光パルス微分波形のデコンボリューションを時間領域で行うことも可能である。また、光微分波形逆畳込み手段２５は、デコンボリューション時に、光音響信号に対して何らかのフィルタをかける処理をおこなってもよい。例えば光微分波形逆畳込み手段２５が、デコンボリューション時に、ノイズ増幅周波数帯をフィルタリングするようにしてもよい。
【０１３０】
上記各実施形態では、光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした後に光音響画像（吸収分布画像）を生成することとしているが、これに加えて、又はこれに代えて、光微分波形をデコンボリューションせずに光音響画像（圧力分布画像）を生成してもよい。例えば、ユーザが、スイッチや表示モニタ上で操作を行うことで、デコンボリューション処理の有無を選択できるようにしておき、ユーザがデコンボリューション処理の実施を選択したときには光微分波形のデコンボリューションを行った上で光音響画像を生成し、ユーザがデコンボリューション処理の不実施を選択したときは光微分波形のデコンボリューションを行わずに光音響画像を生成してもよい。例えば、光微分波形のデコンボリューションを行ったときは、光音響信号を赤・黒の色に対応付けて表示し、デコンボリューションなしのときは、光音響信号を青・黒の色に対応付けて表示してもよい。
【０１３１】
また、デコンボリューションなしの場合の光音響画像を生成し、コンピュータがその光音響画像を解析することで、血管部分が２本に分かれているか否かを判定し、血管が２本に分かれていると判定されたときに、その血管部分のみを対象に光微分波形のデコンボリューション処理を行うようにしてもよい。その際、デコンボリューション処理を実施した血管部分の表示色を、他の未処理の血管部分の表示色とは異なる色とし、デコンボリューション処理が行われた血管と、他の未処理の血管とが容易に判別可能になるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
１４：画像表示手段
１５：位置情報取得手段
１６：入力手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：光音響画像再構成手段
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：光微分波形逆畳込み手段
２６：補正手段
２７：検波・対数変換手段
２８：光音響画像構築手段
２９：トリガ制御回路
３０：制御手段
３１：フラッシュランプ
３２：Ｑスイッチ
３３：送信制御回路
３４：データ分離手段
３５：超音波画像再構成手段
３６：検波・対数変換手段
３７：超音波画像構築手段
３８：画像合成手段
３９：観察方式選択手段
６０：振動子アレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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